【正文】 應(yīng)力大大低于強(qiáng)化層的疲勞極限, 因此裂紋源移向強(qiáng)化層以內(nèi)。這是因?yàn)樵谄诹鸭y擴(kuò)展第二階段初期, 裂紋較淺而較平坦, 但由于受到強(qiáng)大的殘余壓應(yīng)力作用, 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中隨每次循環(huán)張開(kāi)的幅度必然小于未經(jīng)強(qiáng)化的材料,已產(chǎn)生的疲勞紋不斷受到碾擠,最終變成云紋狀, 其上的疲勞紋無(wú)法辨別。這是因?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展過(guò)程中兩邊斷口上峰峰、谷谷相對(duì)應(yīng), 其峰臺(tái)部分不斷受到碾擠而形成的擠壓脊, 其上的疲勞紋無(wú)法辨別, 這屬于解理、非晶體學(xué)脆性的疲勞紋形態(tài) , 應(yīng)是激光沖擊強(qiáng)化鋁合金低周疲勞的重要特征。如圖所示, 兩者斷口皆具有靜拉伸狀態(tài)下的斷裂特征, 又由于疲勞擴(kuò)展區(qū)實(shí)際上等于造成了一種預(yù)裂紋, 故斷口呈現(xiàn)張開(kāi)型斷口特征。它取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力條件、裂紋尖端區(qū)域的形變和斷裂機(jī)制。 WYKONTI 100硝1F接觸式光學(xué)輪廓儀 WYKO NTI 1 00 optical profiler圖5．5示為激光沖擊處理試樣對(duì)應(yīng)平均應(yīng)力96．9MPa下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度。這說(shuō)明，激光沖擊強(qiáng)化處理改變了裂紋擴(kuò)展方向，抑制了裂紋擴(kuò)展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是我走向人生的一個(gè)中轉(zhuǎn)站，我將要在此起航，我從中體會(huì)到了一股力量，讓我更踏實(shí)的邁向遠(yuǎn)方。人生也可以當(dāng)作論文，我可以按同樣的方法去了解它。綜上所述，疲勞斷面粗糙度在一定程度上反應(yīng)了材料抗疲勞性能的強(qiáng)弱，激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)材料表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與外載荷疊加，降低了試樣應(yīng)力水平，抑制了裂紋擴(kuò)展速率，裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)減小，裂紋閉合效應(yīng)增強(qiáng)，表現(xiàn)出斷面粗糙度較小。因此，本節(jié)以激光沖擊與未沖擊試樣在平均應(yīng)力為96．9MPa和106．6MPa下的疲勞斷口為研究對(duì)象，采用WYKO NTll00型非接觸式光學(xué)輪廓儀對(duì)各個(gè)斷口不同區(qū)域的粗糙度進(jìn)行了測(cè)量。 (b) 激光沖擊試樣Fig. SEM photos of final rupture( a) nonlasershocked sample。從疲勞斷口的擠壓脊可以看到, 材料在應(yīng)變過(guò)程中尚有相當(dāng)大的塑性形變, 其產(chǎn)生的形變抗力將使材料產(chǎn)生一定的/ 循環(huán)硬化0 效應(yīng), 這種疲勞過(guò)程中的強(qiáng)化效應(yīng)抑制了二次裂紋的發(fā)生, 也在一定程度上提高了材料的疲勞性能。而激光沖擊強(qiáng)化試樣雖然疲勞紋也有加寬, 但擴(kuò)展穩(wěn)定, 沒(méi)有觀察到二次裂紋。根據(jù)圖示的標(biāo)尺估計(jì), 其每個(gè)周期疲勞紋的進(jìn)展只有未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化試樣的1/ 5~ 1/ 4。 ( b) lasershocked激光沖擊強(qiáng)化試樣的疲勞源與試樣表面有一段距離, 相當(dāng)于強(qiáng)化層的深度。由圖可見(jiàn), 疲勞斷口由疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個(gè)典型區(qū)域組成。時(shí), 代入() 式, 各應(yīng)力分量為: （）　當(dāng)r =3/2d 時(shí), y 軸方向的各應(yīng)力分量為: （）　這種狀態(tài)相當(dāng)于無(wú)孔平板受拉伸時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。有限單元的自由邊界可以反射應(yīng)力波, 無(wú)限單元?jiǎng)t可以盡量減少應(yīng)力波從自由界面反射回有限單元體內(nèi)。 A為表面涂層對(duì)激光的吸收率。下圖為本論文模擬時(shí)的網(wǎng)格劃分: 在Fabbro 研究的基礎(chǔ)上, 通過(guò)估計(jì)沖擊波峰值壓力的大小, 以及由PVDF 傳感器得到的沖擊波壓力幅值時(shí)間曲線實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)沖擊波的精確加載。下面為激光沖擊的有限元模擬流程： 激光沖擊的有限元模擬流程 Finite element simulation process of laser shock ABAQUS建模過(guò)程激光沖擊強(qiáng)化金屬板料致使材料表面產(chǎn)生塑性變形，其沖擊能量來(lái)源于激光沖擊與金屬材料相互作用時(shí)在表面產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊波。 數(shù)值模擬的總體思路 本文基于ABAQOS軟件平臺(tái)，采用先開(kāi)孔后激光沖擊的工藝方法，通過(guò)有限元建模，建立起激光沖擊參數(shù)殘余應(yīng)疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。 研究的主要內(nèi)容激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)作為一種新的表面處理技術(shù)，能顯著的提高材料的抗疲勞性能。1995 年美國(guó)的Jeff Dulaney 創(chuàng)建激光沖擊處理公司（LSP ）。在研究了激光沖擊強(qiáng)化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。具有如下的特點(diǎn)：（1）高壓、高應(yīng)變率。在使用水作為約束層時(shí)，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強(qiáng)了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。Zhou 等人也在最近對(duì)等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長(zhǎng)關(guān)系。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學(xué)效應(yīng)可改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯(cuò)密度和形成表面殘余壓應(yīng)力。（1）激光沖擊對(duì)裂紋萌生的影響疲勞極限微細(xì)觀過(guò)程理論認(rèn)為，疲勞源的行成應(yīng)包括以下六個(gè)微細(xì)觀過(guò)程：a 加載時(shí)，個(gè)別晶粒內(nèi)位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，產(chǎn)生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一些薄弱晶粒內(nèi)部或微觀應(yīng)力集中點(diǎn)附近出現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并受阻于晶界；b 為了使“微觀屈服”能進(jìn)一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯(cuò)源及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當(dāng)多晶粒參與的“細(xì)觀屈服”小區(qū)；c 在“細(xì)觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應(yīng)變集中滑移帶；d 在卸載或反向加載到最小應(yīng)力時(shí)，一些應(yīng)變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；e 少數(shù)應(yīng)變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；f 個(gè)別條件合適的疲勞初裂縫，擴(kuò)展進(jìn)入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。同時(shí), 由于沖擊波貯藏的彈性變形能大于或等于金屬材料所需的屈服塑性變形能, 在金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。擠孔時(shí), 先將芯棒和襯套一起插入孔中并使槍頭牢固對(duì)準(zhǔn)工件。 小孔強(qiáng)化的傳統(tǒng)工藝介紹下傳統(tǒng)孔強(qiáng)化的技術(shù)：冷擠壓技術(shù)和機(jī)械噴丸技術(shù)。在各類結(jié)構(gòu)件中，往往由于裂紋的存在而使結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)就發(fā)生破壞。 Fatigue fracture。故本文采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)比分析，采用強(qiáng)化效果更好的先激光沖擊后開(kāi)孔的工藝方法。然后通過(guò)對(duì)疲勞斷口的觀察，來(lái)分析材料抗疲勞性能的強(qiáng)弱。他認(rèn)為，表面工程是“將材料表面與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性。鋁合金比重小, 但卻有著接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼的強(qiáng)度, 具有熱脹系數(shù)低、易于成形、熱導(dǎo)率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、包裝、建筑、電子等各個(gè)領(lǐng)域。要延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命, 必須對(duì)孔進(jìn)行強(qiáng)化。文中加套擠壓試驗(yàn)是在從美國(guó)疲勞公司引進(jìn)的開(kāi)縫襯套擠孔設(shè)備上進(jìn)行的 機(jī)械噴丸技術(shù) 機(jī)械噴丸成形是20 世紀(jì)50 年代隨著飛機(jī)整體壁板的應(yīng)用, 在噴丸強(qiáng)化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工藝方法。特別適合對(duì)小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進(jìn)行強(qiáng)化，甚至能對(duì)一些微米級(jí)金屬零件進(jìn)行強(qiáng)化[7]；4)LSP后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)個(gè)微米，基本不改變被處理零部件的粗糙度[8]。表面層中的晶粒，其自由表面一側(cè)沒(méi)有約束或約束較小，位錯(cuò)容易滑動(dòng)，在其附近形成“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力較低；而在離表面較遠(yuǎn)的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力就較高。激光沖擊加工在整個(gè)激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。 激光沖擊強(qiáng)化的影響因素激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。然而，過(guò)大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效果。約束層對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的影響比較明顯，延長(zhǎng)了等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和沖擊時(shí)間。，表面涂層吸收激光能量后迅速氣化并發(fā)生電離，形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的沖擊波。塑性變形時(shí)間僅僅幾十納秒。研究還發(fā)現(xiàn)：對(duì)18Ni 馬氏體時(shí)效鋼的焊縫進(jìn)行處理后，耐疲勞強(qiáng)度提高17%。1997 年GEAE 公司（通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠）將激光沖擊強(qiáng)化用于B1B/F101 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費(fèi)9900 萬(wàn)美元，如圖所示。2. 定性分析激光沖擊對(duì)小孔疲勞壽命的影響，在不同的激光參數(shù)下的疲勞數(shù)值分析，且這些參數(shù)獨(dú)立改變，為小孔激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中殘余應(yīng)力控制和疲勞性能提供指導(dǎo)。激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力大且作用時(shí)間短, 當(dāng)金屬局部表面受到這種沖擊載荷作用時(shí), 擾動(dòng)會(huì)逐漸由近及遠(yuǎn)傳播到未受擾動(dòng)的區(qū)域中去, 這種擾動(dòng)的傳播就是應(yīng)力波。 幾何模型的建立abaqus的part模塊里面可以建立草圖，也可以進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等操作。本論文研究的參數(shù)為：A為325，B為555。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。根據(jù)激光脈沖作用時(shí)間和實(shí)驗(yàn)記錄的脈沖信號(hào)，可以將激光誘導(dǎo)的沖擊波載荷按照激光脈沖信號(hào)的分布，采取分段逐次逼近的辦法實(shí)現(xiàn)激光脈沖載荷的加載。因此激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇實(shí)質(zhì)上是對(duì)激光脈沖功率密度、光斑直徑和激光脈沖寬度的選擇。但是, 過(guò)大的激光脈沖寬度易造成金屬表面燒蝕 。( a) 為未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化鋁合金疲勞斷口, 呈現(xiàn)疲勞源形成和擴(kuò)展的典型特征。雖然疲勞裂紋的擴(kuò)展也呈扇形放射狀, 但在表層殘余壓應(yīng)力的作用下, 向表層方向的擴(kuò)展受到了阻礙, ( b) 所示。而沒(méi)有殘余壓應(yīng)力的普通試樣則留下清晰的疲勞紋。瞬斷區(qū)主要由大小不同、偏向一側(cè)的韌窩組成